Propagation de la lumière Propagation de la lumière dans les nanostructures et dans les nanostructures et les cristaux photoniques les cristaux photoniques planaires associés aux guides planaires associés aux guides d’onde : fabrication et d’onde : fabrication et caractérisationcaractérisation
Frédéric Lacour
22 Février 2005
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Introduction
Nanostructures et cristaux photoniques (CP) : objet de nombreuses recherches depuis une dizaine d’années.
Structuration périodique du milieu de propagation Fabrication :
Domaine des micro-ondes : période de l’ordre du millimètre
Domaine optique : période sub-micronique Enjeu technologique notamment du point de vue des
précisions géométriques requises CP de type planaire Nanostructures associées à des guides d’onde.
Proposition : Utilisation d’un FIB. Caractérisation des nanostructures par
microscopie en champ proche optique.
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Plan de l’exposé
I. ContexteII. Modélisation des nanostructuresIII. Fabrication de nanostructures par
FIBIV. Caractérisation des nanostructures
par microscopie en champ procheV. Application des méthodes de
fabrication par FIB au LiNbO3
VI. Conclusion et perspectives
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Partie IPartie IContexteContexte
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Les cristaux photoniques
Arrangement périodique de matériaux diélectriques ou métalliques.
1D 3D2D
Bande interdite photonique : la lumière ne peut pas se propager pour certaines gammes de longueur d’onde
Introduction de lacunes ou de défauts : possibilité de confinement
waveguidecavity
Cavité Guide d’onde
I Contexte I-1 Les cristaux photoniquesI-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
6Les cristaux photoniques bidimensionnels
Deux types :
Structures « connectées »
Structures « déconnectées »
Applications à l’optique intégrée planaire : Structures 2D + confinement vertical Défauts : création de guides d’onde ou de cavités Permet une miniaturisation des principaux
composants optiques Contrôle total de la lumière dans un plan
I Contexte I-1 Les cristaux photoniquesI-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
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Cristaux photoniques 2D associés à des guides d’onde
Deux configurations ont été retenues :
Coupleur : Injection par onde évanescente (D. Mulin, Thèse de doctorat, 2000)
Trous directement gravés sur le guide : injection par une onde propagative
Simulations préliminaires : coupleur configuration ambitieuse et complexe Choix des structures validation de la fabrication de nanostructures par FIB
I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
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Fabrication d’un cristal photonique bidimentionnel associé à un guide d’onde
Techniques de fabrication issues de la technologie des semi-conducteurs
Méthode la plus répandue : lithographie électronique MEB associée à une technique de gravure (chimique ou séche)
Avantages : précision (résolution jusqu’à 5nm), ensemble des motifs gravés en même temps (homogénéité de la structure)
Inconvénient : difficulté de positionnements (utilisation de repères)
Méthode choisie : utilisation d’un FIB Motivation : positionnement de visu par rapport aux
guides, résolution (moins de 50nm), possibilité de gravure directe
I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
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Choix du guide optique
Structure mixte guide/nanostructures Modes de propagation peu enterrés
(caractérisation par microscopie champ proche)
Choix d’une structure multicouche : confinement vertical de la lumière dans les structures
Guide ruban à structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 sur substrat de silicium
I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
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Caractéristiques des guides d’onde
monomodes de 700 nm à 900 nm (compatible avec le laser titane saphir (700-950nm))
Découpe des échantillons à la scie (Disco DAD400) évite le polissage
Onde évanescente à la surface du guide
Mode Calcul par BPM :
I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
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Partie IIPartie IIModélisation des Modélisation des nanostructuresnanostructures
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Calcul des diagrammes de bandes
But : Déterminer les paramètres de la structure
(diamètre des trous, maille, période de la matrice)
Détermination des diagrammes de bande par un logiciel commercial (RSoft BandSolve) utilisant la méthode PWE (Plane Wave Expansion)
Conditions : neff=1.489 Fabrication d<0.75a
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Calcul des diagrammes de bandes
Paramètres : Choix d’une matrice à
maille triangulaire d=0.7a
Polarisation TE : Champ E parallèleà l’axe des structures
!
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Calcul des diagrammes de bandes
Polarisation TM : Champ H parallèleà l’axe des structures
!
Paramètres : Choix d’une matrice à
maille triangulaire d=0.7a
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Calculs 2D-FDTD
Utilisation d’un logiciel commercial (FullWave) de FDTD (Finite-Difference Time-Domain)
La méthode FDTD permet de: Calculer le spectre de transmission (excitation par
impulsion). Montrer l’interaction entre la lumière injectée et les
nanostructures (excitation continue). Paramètres pour les calculs 2D-FDTD :
Trous supposés infinis Guides d’onde monomodes de 4µm de large Matrice à maille triangulaire de 40x40 trous (a=360nm,
d=200nm) Propagation dans la direction M x=z=0.02m t=2.4£ 10-17s PML : épaisseur=0.5m
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Calculs 2D-FDTD
Spectre de transmission Polarisation TE
Spectre de transmission Polarisation TM
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et
magnétique (polarisation TE), matrice de 40x40 trous (d=200nm, a=360nm)
z
x
y
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique
(polarisation TE)
z
x
y
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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Partie IIIFabrication de nanostructures
par FIB
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Fabrication des nanostructures
Matrice périodique de trous, maille triangulaire (d=200nm, a=360nm, Profondeur de gravure : 1µm) gravée sur les guides d’onde
Utilisation du FIB (Faisceau d’ions focalisé, Focused Ion Beam)
Avantages : Haute résolution ('50nm) Système d’imagerie
associé Positionnement par
rapport au guide visuel
FIB: double colonne MEB/FIB Orsay –Physics LEO-FIB 4400 (FEMTO-ST, Besançon) ; FIB FEI Beam Strata 235 (Isis, Strasbourg)
…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 ParamètresIII-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…
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Première méthode : gravure directe par FIB
…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…
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Résultats
Matrice de maille triangulaire de 20x20 trous
Diamètre : 200nm Période : 360nm Profondeur de gravure
: 1,2µm)
Coupe par FIB
image MEB
image FIB…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…
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Autres structures gravées
Matrice triangulaire de 24£30 trous circulaires (d=200nm, a=360nm)
Matrice triangulaire de 24£48 trous circulaires (d=200nm, a=360nm) avec une ligne de défauts
Images MEB, Gravures réalisées à l’INIST, Strasbourg
…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…
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Discussion
Réglages FIB (astigmatisme, alignement de la colonne) délicats risque de saut ou de dérive
Problème du redépôt de matériau profondeur de gravure limitée et flancs des trous inclinés.
Solutions proposées : Utilisation d’un gaz réactif Augmentation du nombre de passages Combinaison FIB-RIE (Reactive Ion Etching)
…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…
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Deuxième méthode : action combinée FIB-RIE
Avantages : gravure FIB à 250nm de profondeur (épaisseur du métal)
temps de gravure réduit Profondeur des trous ne dépend que de la RIE
…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIEGravure combinée FIB-RIE IV Ca…
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Premiers essais Gravure du masque
métallique par FIB
Image FIB
20 minutes de gravure RIE Théoriquement : ' 1920nm.
Profondeur mesurée à l’AFM : 100nm
Nécessité d’une optimisation de la gravure RIE pour les nanostructures.
…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIEGravure combinée FIB-RIE IV Ca…
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Partie IVCaractérisation des
nanostructurespar microscopie en champ
proche
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Caractérisation par microscopie en champ proche
Dispositif expérimental
…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentaleIV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 …
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Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques
Image optique correspondante
Image topographique (30x30µm²)
Images champ proche d’un coupleur (séparés de 8µm)
…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…
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Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques
Coupe de l’image optique correspondante
Sections
Coupe de l’image topographique
…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…
xm)
y(A)o
xm)
I(U.A.)
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Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques
Image optique expérimentale
Comparaison Théorie/expérience
…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…
xm) xm)
I(U.A.)I(U.A.)
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Caractérisation d’une nanostructure sans lacune
=850nm
=900nm
Image optique correspondante
Image topographique (5x5µm²)
…-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…
Caractérisation par microscopie en champ proche :
Une matrice de 40 lignes de trous
Mêmes paramètres que précédemment (a=360nm, d=200nm)
Mesure réalisée tous les 25nm entre =700nm et =900nm pour une polarisation TM
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Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante
Caractérisation par microscopie en champ proche :
Une matrice de 80 lignes de trous
Mêmes paramètres que précédemment (a=360nm, d=200nm)
1 ligne de trous manquante dans la direction de la propagation au centre du guide d’onde
Mesure réalisée tous les 25nm entre =700nm et =900nm pour une polarisation TM
…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …
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Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante
Image Optique correspondante
Image Topographique (10x10µm²)
=725nm Pertes
importantes en entrée de la nanostructure
…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …
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Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante
=825nm Confinement du
champ autour de la ligne de lacunes.
Image Optique correspondante
Image Topographique (10x10µm²)
…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …
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Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante
Comparaison image expérimentale / simulation FDTD
Distribution de l’intensité du champ H, polarisation TM
50£40 trous, maille triangulaire
a=360nm, d=200nm
=752nm
…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …
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Discussion
Structures sans défaut : Chute de transmission observée à partir
de =875nm BIP TM théorique : entre 800 et 900nm
Structures avec une ligne de lacune : Chute de transmission observée vers
900nm (limite du gain linéaire du PM) Modelages dans la structure très
différents observés pour des longueurs d’onde ponctuels
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Influence du profil des trous
Effet de BIP pour des cristaux photoniques 2D très sensibles à de nombreux paramètres introduisant principalement des pertes hors-du-plan :
Profondeur des trous : importance du recouvrement entre les trous et le mode guidé
La forme des trous : forme cylindrique
Aspect en surface : la surface doit être régulière.
Échantillon fabriqué: Redépôt de matière lors
du traitement FIB formes coniques
Angle proche de 2.5°.
La profondeur des trous (compromis entre la théorie et les contraintes technologiques) ne permet pas un recouvrement complet des modes guidés Ferrini and al., Appl. Phys. Lett., 82, 7, 2003
…-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…
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Partie VApplication de la méthode de fabrication des nanostructures
par FIB au LiNbO3
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Contexte Niobate de Lithium, LiNbO3
Nombreuses propriétés optiques (ferro-électrique, piézo-électrique, électro-optique, photoréfractif, acousto-optique…) Fort indice de réfraction : nLiNbO3, =1.55m¼2.2
Domaine de transparence de 0,4µm à 4µm Un des matériaux les plus utilisés pour la réalisation de composants optiques
Candidat pour la réalisation de cristaux photoniques reconfigurables Matériau difficilement usinable par les techniques de gravure traditionnelles Rares résultats de nanostructurations (Restouin et al. Opt. Mater. 22, 2003)
…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…
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Existence d’une BIP dans le LiNbO3
Calculs réalisés à l’aide de BeamProp (N. Bodin)
Existence d’une BIP TM totale pour d>0,4a Paramètres pour la fabrication : d=0,5a (compromis
entre technologie et simulation) 0.321<a<0.349
…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…
42Fabrication de nanostructures sur LiNbO3 par FIB
Procédure de gravure directe par FIB
Procédure de gravure combinée FIB-RIE
…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…
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Résultats par gravure directe par FIB
Image FIB de la coupe d’une matrice 4£ 4
Diamètre des trous à 1µm de profondeur : 432nm
Toujours le problème du redépôt
…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…
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Gravure combinée FIB-RIE
Le FIB ne sert qu’à graver le masque métallique Résultats différents selon le diamètre des trous
d2=130nmd1=250nm
Profondeur de gravure mesuré au bout de 10min de RIE-SF6 : 500nm
Images MEB
…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…
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Partie VIConclusion et perspectives
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Conclusion
Développement de deux méthodes de fabrication de nanostructures par FIB sur deux matériaux (silice et niobate de lithium)
Subsiste quelques défauts (redépôt de matériau)
Efficacité prouvée notamment pour la réalisation de structures sur des matériaux difficilement usinables (LiNbO3)
Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche :
Cartographie en surface du champ se propageant dans le structure
Efficacité prouvée pour la caractérisation de structure à fort confinement de champ (structure avec lacunes)
… des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion et perspectivesVI Conclusion et perspectives
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Perpectives
Optimisations nécessaires : Gravure FIB directe : différentes solutions ont été
proposées pour éviter le redépôt Gravure combinée FIB-RIE : optimisation de la RIE pour les
nanostructures Nanostructuration du niobate de lithium
RIE peu réactive : acquisition prochaine d’une Deep-RIE dédiée au LiNbO3
Caractérisation en champ proche : suppose des guides peu enterrés
Réalisation de composants actifs à cristaux photoniques sur LiNbO3
… des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion et perspectivesVI Conclusion et perspectives
48Quelques exemples de Zone de Brillouin Zone de Brillouin : cellule élémentaire de l’espace réciproque
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Théorie des cristaux photoniques
Milieu linéaire, non-absorbant et isotrope Permittivité diélectrique relative, réelle et périodique
r( r ) Équations de Maxwell donnent l’équation maître (milieu non-
absorbant, linéaire et isotropes):
!
Théorème de Floquet-Bloch :
Où est fonction de la périodicité du réseau.Permet la simplification de l’équation maître. Obtention des courbes de dispersion ( k ) et des diagrammes de bande (méthode des ondes planes)
!
50
Étude spectrale
Spectre de transmission expérimental Variation de
850nm à 980nm
Ne montre pas de réelles bandes interdites
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Fabrication des guides d’onde
Fabrication réalisée par A. Sabac
I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …
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Remerciements
Eloïse Devaux (INIST, Strasbourg) Andrei Sabac Maria Pilar Bernal Nadège Bodin Matthieu Rousset
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Calcul des diagrammes de bandes
d=0.7a
I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…
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